蘇州納米所在仿生人工肌肉研究方面取得新進展
仿生肌肉纖維在外界刺激下能夠產生類生物肌肉的收縮運動，作為一種新型的驅動器，有望推動仿生軟體機器人、智能變翼飛行器、可穿戴及可植入醫(yī)療技術等方向的創(chuàng)新發(fā)展。螺旋仿生肌肉纖維憑借其獨特的驅動放大結構可以輸出優(yōu)異的驅動性能。但在收縮前需要對螺旋仿生肌肉纖維施加張力將纖維相鄰的螺環(huán)分開為其收縮提供空間，而且其回復過程也需要相同的應力將纖維拉回原長，這導致在一個驅動循環(huán)過程中螺旋仿生肌肉纖維的凈做功為零。
針對上述問題，中科院蘇州納米所李清文、邸江濤研究員等報道了一種無預應力、可自回復并能高效循環(huán)做功的仿生肌肉纖維。該仿生肌肉纖維以碳納米管（CNT）纖維的彈性螺旋結構驅動回復，并利用液晶彈性體（LCE）的可逆相變產生驅動形變。所獲得的肌肉纖維表現出56.9%的可逆收縮量，1522%/s的收縮速率，7.03 kW kg-1的功率密度和32,000次的穩(wěn)定循環(huán)。
圖1. LCE/CNT復合纖維的制備與表征
通過連續(xù)的浸漬涂覆固化技術實現了復合纖維的連續(xù)制備，隨后進行并股加捻得到螺旋纖維。其中，CNT纖維表面的溝道初步誘導了液晶分子的排列，加捻進一步誘導液晶分子重排變?yōu)橄鄬τ行虻臓顟B(tài)，復合纖維在溫度刺激下產生形變。（圖1）
圖2. 纖維的結構表征
經過加捻的復合纖維表面的LCE從無序變?yōu)橛行?，偏光顯微鏡和WAXS的結果都證明了這一點，加捻后LCE的取向變好，取向因子增加，表明螺旋應力有效誘導了液晶分子的排列（圖2）。
圖3. LCE/CNT螺旋纖維的電熱驅動性能
目前文獻中報道的仿生肌肉纖維在收縮和恢復過程中都需要施加恒應力（圖3a，循環(huán)Ⅰ），整個過程纖維的凈做功為零。本工作開發(fā)的纖維在通電時收縮提起負載，斷電后無需負載回復到原長（圖3a，循環(huán)Ⅱ），纖維的凈做功大于零。該有效做功特性對于仿生肌肉纖維的應用具有重要意義。對復合纖維加捻使得LCE在CNT溝槽中沿著CNT取向形成液晶態(tài)。在電熱的作用下液晶高分子鏈的剛性棒向無序相轉變，導致相鄰碳納米管受到應力而解捻，進而產生收縮驅動。在電熱驅動訓練過程中復合纖維中的CNT纖維骨架被加工成具有螺環(huán)張開且扭矩平衡的結構，纖維受熱收縮會對CNT纖維骨架壓縮進而儲存了彈性勢能。斷電后彈性勢能的釋放使得復合纖維恢復到原來大螺距、扭矩平衡的結構。這說明本工作中報道的仿生肌肉纖維的回復不需要外力輔助。因此該仿生肌肉纖維實現了有效循環(huán)做功。復合仿生肌肉纖維的驅動量高達56.9%，最大做功能力為2.11 J/g，與文獻中報道的LCE纖維驅動器相比，該纖維做功能力處于最大值。在自恢復模式下，纖維循環(huán)32,000圈后驅動性能依然保持良好，具有優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。（圖3）
圖4. LCE/CNT螺旋纖維的應用演示
基于LCE/CNT螺旋纖維優(yōu)異的驅動性能及自恢復特性。研究團隊將這種高性能的仿生肌肉纖維作為驅動單元與機械結構結合起來，演示了其在類內窺鏡上的作用，可以實現內窺鏡鏡頭的三向彎曲。進一步將纖維集束與仿生手臂結合，模仿人的手臂實現了拉車的動作。此外，基于纖維的快速響應特性，利用其瞬間的爆發(fā)力，纖維在機械爬蟲及踢足球場景下都具有一定的應用潛力。（圖4）
相關工作以Pretension-Free and Self-Recoverable Coiled Artificial Muscle Fibers with Powerful Cyclic Work Capability為題發(fā)表在ACS Nano上。論文第一作者為中科院蘇州納米所碩士生崔波，通訊作者為邸江濤研究員和李清文研究員。該工作得到了國家重點研發(fā)計劃和國家自然科學基金等項目的支持。
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